高性能ADC在電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的要求應(yīng)用研究

作者：Martin Mason Director，Precision ADC Maxim Integrated Products

1 引言

一個(gè)高級(jí)電力線監(jiān)控系統(tǒng)通常由功率監(jiān)測(cè)、負(fù)載均衡、保護(hù)以及表計(jì)功能組成，這一架構(gòu)能夠使電力得到有效傳輸，用戶充分利用電力資源，保證電網(wǎng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著電力的有效傳輸，高級(jí)電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)電力需求、檢測(cè)并報(bào)告故障條件，還可以記錄、動(dòng)態(tài)均衡負(fù)載以節(jié)省能源，監(jiān)測(cè)（和控制）電力傳輸質(zhì)量、協(xié)助保護(hù)設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)監(jiān)控功能，需要使用ADC （模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）監(jiān)測(cè)多相電壓和電流。此外，為了滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的苛刻要求，測(cè)量并優(yōu)化功率因數(shù)損耗，這些轉(zhuǎn)換器必須能夠同時(shí)同步采樣三個(gè)通道（以及零相通道）。考慮到對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步比較困難，廠商在單一封裝內(nèi)集成了多路同時(shí)采樣ADC。如果需要更高集成度的方案，可以選擇定制ASIC同時(shí)采樣轉(zhuǎn)換器。

2 性能測(cè)試—當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求

不同的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電能測(cè)量精度的規(guī)定不盡相同，這為電力線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)帶來(lái)一定的難度，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品很難得到普遍認(rèn)同。供電量的測(cè)量特性必須滿足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。EU （歐共體）標(biāo)準(zhǔn)EN 50160、IEC 62053和IEC 61850對(duì)于現(xiàn)代電力監(jiān)控系統(tǒng)使用的多通道ADC的精度給出了嚴(yán)格的下限要求。此外，電力線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于電力傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，而且需要完備的故障檢測(cè)和保護(hù)以及動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡功能。例如，EU標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053 0.2類（被普遍作為一種全球性的公共標(biāo)準(zhǔn)）要求表計(jì)精度達(dá)到標(biāo)稱電流和電壓的0.2%。為了精確測(cè)量功率因數(shù)，相位匹配度應(yīng)該達(dá)到0.1%甚至更好。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)不僅給出了最低精度的要求，還給出了現(xiàn)代電力線監(jiān)測(cè)和計(jì)量系統(tǒng)對(duì)于采樣速率的要求。要求對(duì)交流電源進(jìn)行更加嚴(yán)格的高次諧波分析，快速檢測(cè)故障條件，例如，瞬間的電壓毛刺和電壓跌落故障。由此可見，這類應(yīng)用需要在高達(dá)90dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)、以16ksps甚至更高的采樣速率，對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行高精度、同時(shí)測(cè)量。

目前，全球的許多國(guó)家已經(jīng)采納了EU標(biāo)準(zhǔn)，因此，最好參考這些測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，將其作為系統(tǒng)必須滿足的指標(biāo)。表1歸納了EN 50160的要求。對(duì)于諧波電壓，EN 50160要求能夠測(cè)量50Hz/60Hz電源電壓的25次諧波，而對(duì)于一些非線性負(fù)載，例如：感性電機(jī)和開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器，則要求測(cè)量50Hz/60Hz電源電壓的127次諧波。另外，需要特別注意的是：IEC 61850等一些新興標(biāo)準(zhǔn)還建議記錄電力系統(tǒng)的瞬態(tài)事件，每個(gè)交流周期的采樣次數(shù)將達(dá)到256次甚至更高。

3 典型的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全球的3相電網(wǎng)的分布形式均采用所謂的“Y型連接”，“Y型”表示三路電壓彼此之間的相位偏差120°（一周的三分之一）。第4條線，零相，通常供給非平衡負(fù)載。如果三相中的每相負(fù)載保持均等，則系統(tǒng)保持均衡，沒(méi)有電流流入零相。典型的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)架構(gòu)如圖1所示，每相功率（電壓和電流）可通過(guò)電流變壓器（CT）和電壓變壓器測(cè)量（電力分配系統(tǒng)也稱為電動(dòng)勢(shì)變壓器，PT）。一個(gè)完整的系統(tǒng)應(yīng)該包括四對(duì)線路（三相中的每相對(duì)應(yīng)一對(duì)，零相對(duì)應(yīng)一對(duì)）。

按照?qǐng)D1所示，ADC同時(shí)測(cè)量三相和零相的電壓、電流，對(duì)采樣和經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理后，可以得到有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并且可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電力線負(fù)載，修正功率因數(shù)，從而提高供電效率。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT （快速傅立葉變換）運(yùn)算，可以測(cè)得頻率和諧波失真，確定系統(tǒng)損耗、噪聲影響等信息。

圖1. 典型的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用同時(shí)采樣ADC。

4 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求

電力監(jiān)控設(shè)備必須能夠以高達(dá)60Hz x 256或高于15，360sps （每秒采樣數(shù)）的采樣率測(cè)量瞬態(tài)電流和電壓，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)精度要求，系統(tǒng)中所使用的ADC的動(dòng)態(tài)范圍需要達(dá)到90dB。

電壓測(cè)量ADC的動(dòng)態(tài)范圍可以根據(jù)所監(jiān)測(cè)的最大電壓和標(biāo)稱電壓，按照功率測(cè)量的精度要求進(jìn)行計(jì)算。例如，如果設(shè)計(jì)要求測(cè)量1.5kV （1500V）的臨時(shí)性過(guò)壓（低于故障條件），電源電壓標(biāo)稱值為220V，精度指標(biāo)要求達(dá)到0.2%，電壓測(cè)量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍至少為：

20log （（1500 ÷ 220） × 2000） = 83dB

注：所有計(jì)算中，假設(shè)設(shè)計(jì)精度要求為0.05%，優(yōu)于精度為0.2%的標(biāo)準(zhǔn)要求。這一設(shè)計(jì)裕量可確保最終系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

電流檢測(cè)也會(huì)影響ADC的規(guī)格，如果電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求達(dá)到典型值為100A:10A （10A標(biāo)稱值、100A最大值）和0.2類（0.2%）規(guī)范要求，電流測(cè)量子系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍為：

20log （（100 ÷ 10） × 2000） = 86dB

從上述案例可以明確看出當(dāng)前設(shè)計(jì)對(duì)高性能ADC的需求，對(duì)于86dB的動(dòng)態(tài)范圍，需要采樣率為16ksps甚至更高采樣率的16位ADC。為了確保精確測(cè)量3相和零相Y型系統(tǒng)的電流和電壓，ADC必須能夠同時(shí)采樣多達(dá)八個(gè)通道（四路電壓、四路電流）。此外，還需要修正變壓器引入的電流、電壓的相位偏移（或延時(shí)），這一點(diǎn)對(duì)于測(cè)量并修正功率因數(shù)，有效提高供電效率的系統(tǒng)非常重要。

4.1 ADC選擇

為電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇正確的ADC時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須了解采樣速率和標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于當(dāng)前設(shè)計(jì)，他們還必須考慮其它因素，例如：有效輸入阻抗（ZIN）、信號(hào)相位調(diào)節(jié)、小尺寸封裝等。了解這些需求后，設(shè)計(jì)人員將注意力轉(zhuǎn)向支持多通道同時(shí)采樣的高性能ADC，用于電力線監(jiān)控或多通道SCADA （管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。幾種ADC方案能夠滿足電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的苛刻要求，這些目標(biāo)方案中的絕大多數(shù)是6通道、16位同時(shí)采樣ADC，采樣速率可達(dá)250ksps。

有些公司提供六通道、低功耗、250ksps SAR （逐次逼近寄存器）型ADC。Maxim提供的MAX11046*在單一芯片內(nèi)集成了八路高精度、低功耗、16位、250ksps SAR ADC。MAX11046能夠達(dá)到高于90dB的信噪比。

4.2 有效輸入阻抗（ZIN）

ZIN由輸入電容和采樣頻率確定：

ZIN = 1/（CIN × FSAMPLE）

式中，F(xiàn)SAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。

如果ADC具有較高的ZIN，如：MAX11046，則可直接連接到電壓和電流測(cè)量變壓器。這種連接省去了外部精密儀表放大器或緩沖器，從而有效降低系統(tǒng)成本、電路板面積以及系統(tǒng)功耗。圖2所示應(yīng)用案例給出了基于MAX11046EV（評(píng)估）板的單相監(jiān)控系統(tǒng)，連接到電力線監(jiān)測(cè)變壓器。從結(jié)構(gòu)圖可以看出：電力線變壓器與同時(shí)采樣、多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間的連接非常簡(jiǎn)單，可有效節(jié)省成本和空間。對(duì)于三相供電系統(tǒng)，可以把該電路復(fù)制到三相的每一相以及零相。

4.3 信號(hào)相位調(diào)節(jié)

當(dāng)高壓信號(hào)通過(guò)變壓器并瞬變到較低電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的相差（或延時(shí)），該延時(shí)在電力管理或電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用中造成比較嚴(yán)重的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要在后端通過(guò)軟件調(diào)節(jié)相位，或者在前端通過(guò)ADC重新調(diào)整信號(hào)，消除電壓和電流信號(hào)的偏差，以便在Y型配置下獲得真實(shí)的、精確的功率因數(shù)測(cè)量。三相電的相差偏離120°表示存在功率損耗，一旦精確測(cè)量到了功率因數(shù)，即可對(duì)其進(jìn)行修正，使電網(wǎng)保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)方案中，利用同時(shí)采樣、多通道、16位ADC解決信號(hào)相位調(diào)整問(wèn)題時(shí)采用的是數(shù)字方式，對(duì)ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。Maxim的MAX11046即采用了這種方式，使用這種ADC，需要占用較大的軟件開銷調(diào)整信號(hào)相位。

目前新推出的一些ADC方案能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)通道的輸入相位，可調(diào)節(jié)延時(shí)為0至333μs，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1.33μs。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了上面提到的軟件開銷，MAX11040 24位、4通道、Σ-Δ ADC即采用了這一方案，采用級(jí)聯(lián)配置后能夠?qū)ψ疃?2個(gè)通道進(jìn)行高精度的同時(shí)采樣。每個(gè)通道所具備的可調(diào)節(jié)采樣相位功能能夠在內(nèi)部補(bǔ)償外部變壓器或輸入濾波器產(chǎn)生的相差。/SYNC輸入可以利用遠(yuǎn)端時(shí)鐘源周期性地同步多達(dá)八個(gè)器件的轉(zhuǎn)換時(shí)序。

圖2. MAX11046等多通道同時(shí)采樣ADC可有效簡(jiǎn)化高級(jí)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這里給出了一個(gè)單相監(jiān)測(cè)方案的例子

4.4 小尺寸封裝

在許多電網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中需要考慮物理尺寸問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)通常需要監(jiān)測(cè)多路多相電源，特別是在電力分配中心。對(duì)于不同方案，ADC每個(gè)通道占用的電路板面積也不同，例如：MAX11040每個(gè)通道占用的面積是15.9mm2，尺寸只有其它廠商方案的一半。ADC較高的封裝密度允許在PCB板上容納更多通道，有助于減小整體測(cè)量系統(tǒng)的尺寸、功耗及成本。

4.5 過(guò)壓保護(hù)

優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)還必須避免系統(tǒng)在過(guò)壓或其它電力線干擾下出現(xiàn)失效，MAX11040以及該系列的其它器件集成了過(guò)壓保護(hù)功能（類似于ESD保護(hù)），保護(hù)電路使用了6V鉗位二極管和內(nèi)部邏輯電路，邏輯電路檢測(cè)到過(guò)壓時(shí)能夠?qū)⒐收衔恢梦?。其它ADC供應(yīng)商采用了自己的保戶架構(gòu)，但多數(shù)需要使用外部二極管。

使用ADC時(shí)，檢測(cè)電網(wǎng)的短路和開路故障是這類保護(hù)系統(tǒng)最重要的功能。通過(guò)觀察ADC的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。制定在什么條件下觸發(fā)繼電保護(hù)是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，很大程度上取決于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠商。盡管如此，比較公認(rèn)的一種看法是：故障條件下觸發(fā)繼電器保護(hù)與不觸發(fā)的結(jié)果同樣糟糕。

5 結(jié)論

人們對(duì)電力需求的增長(zhǎng)使得電力傳輸基礎(chǔ)架構(gòu)或“智能電網(wǎng)”的投資迅速增長(zhǎng)，通過(guò)集成功率監(jiān)測(cè)、負(fù)載均衡、保護(hù)以及表計(jì)功能，構(gòu)建高級(jí)電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電力公司（和用戶）能夠更有效地監(jiān)測(cè)、傳輸、使用并控制電網(wǎng)。

標(biāo)準(zhǔn)的多樣性以及不同企業(yè)提出的種種要求一方面增加了電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)難度，另一方面也需要這些設(shè)備得到更普遍的認(rèn)可。一些較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如：EN 50160、IEC 62053和IEC 61850，規(guī)定了較高的能量檢測(cè)精度，給出了嚴(yán)格的下限要求；這些標(biāo)準(zhǔn)還要求采樣速率滿足實(shí)時(shí)電力傳輸監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)以及動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的要求。標(biāo)準(zhǔn)為現(xiàn)代多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的ADC制定了嚴(yán)格、清晰的原則。其它考慮因素，包括：有效輸入阻抗（ZIN）、信號(hào)相位調(diào)節(jié)以及小尺寸封裝等，也會(huì)影響ADC的選擇。目前，高性能、同時(shí)采樣ADC通常針對(duì)三相電（和零相）的監(jiān)測(cè)及測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這些器件也成為高密度設(shè)計(jì)的首選方案，在提供高性能指標(biāo)的同時(shí)還能夠降低整體系統(tǒng)的成本，使電路板面積最小。

責(zé)任編輯：gt